Відкриття всесвіту

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Ю. Соловйов

Вступ

З усіх картин природи, що розгортаються перед людськими очима, найвеличніша - картина зоряного неба. З найдавніших часів ця картина будила людську уяву, викликаючи до життя те могутнє інтелектуальне протягом, яке ми тепер називаємо наукою. Про те, як людина проникав в таємницю світобудови, в таємницю руху небесних тіл - наша розповідь.

Перші погляди стародавніх на світобудову грунтувалися на безпосередньо видимому. Для древніх єгиптян і вавілонян Всесвіт ототожнювалася з Землею, яка представлялася величезним диском, що плавають по безмежному океану. Небо вони представляли перекинутої чашею, що спирається на площину, з вкрапленнями у внутрішню поверхню чаші зірками.

Впорядковані конфігурації зірок називаються сузір'ями. Сузір'я майже не змінюються з кожним днем, рік від року і навіть століття від століття. За ніч зірки повертаються щодо деякої нерухомої точки, що знаходиться нині поблизу Полярної зірки, ніби чаша обертається як єдине ціле навколо осі, що проходить через цю точку і очей спостерігача. Ретельні спостереження показують, що чаша робить один оборот за 23 години 56 хвилин.

Через обертання чаші деякі зірки йдуть за горизонт на заході, тоді як інші сходять на сході. Це спостереження наводить на думку, що чаша представляє собою частина повної сфери, причому зірки розташовуються на її поверхні. Ця сфера називається небесною сферою або сферою нерухомих зірок. Дві нерухомі точки, в яких небесна сфера перетинає вісь обертання, називаються полюсами світу. Уявна коло на небесній сфері, точки якої рівновіддалені від обох полюсів, називається небесним екватором.

Куляста Земля

Отже, спостереження за добовим рухом зірок привели давніх астрономів до уявлення про небесній сфері. Зробити висновок про те, що Земля має форму кулі, виявилося важче. Думка про кулястість Землі висловили давньогрецькі вчені на початку V століття до нової ери. До цієї думки вони дійшли на підставі розповідей мандрівників, які помітили, що висота північного полюса світу зростає в міру переміщення на північ і зменшується при русі в південному напрямку (рис. 1).

Перше справжнє вимір радіуса Землі було проведено єгипетським греком Ератосфеном (276 - 195 рр.. До н. Е..), Уродженцем міста Сієна (нині Асуан) на півдні Єгипту. Ще будучи підлітком він зауважив, що в Сієні щорічно 21 червня опівдні Сонце знаходиться точно над головою, і вертикальні стволи дерев не відкидають тіней. Пізніше в Олександрії, розташованої на півночі Єгипту, він виявив, що тіні тут у зазначений час не зникають, і в геніальному осяяння зрозумів, що причина цього - кривизна поверхні Землі. Олександрія знаходиться на 480 миль на північ від Сієни, і коли Сонце в зеніті над Сієною, над Олександрією воно повинно розташовуватися на деякій кутовій відстані від зеніту. Цей кут можна виміряти по тіні вертикального стовбура дерева або колони в Олександрії (рис. 2). Кут визначається за висотою дерева або колони і виміряної довжиною тіні в Олександрії в момент, коли в Сієні тінь не відкидається (полудень 21 червня). Кути a і b рівні як внутрішні навхрест лежачі кути при перетині паралельних прямих. Виміряне значення становило a = 7 °, отже, кут в 71 з вершиною в центрі Землі стягувався на поверхні дугою в 480 миль. Оскільки в окружності 360% довжина кола Землі по меридіану повинна становити 24 000 миль, а її радіус - близько 4000 миль (точні сучасні значення становлять 24 989 миль для довжини кола і 3950 миль для радіуса).

Ідея кулястої Землі дозволила спростити геометрію світобудови. Природно було вважати, що земна й небесна сфери концентричні, а вісь обертання небесної сфери служить продовженням полярної осі Землі.

Блукаючі зірки

Крім нерухомих зірок, на небесній сфері можна спостерігати тіла, положення яких змінюється з кожним днем. Такі тіла називаються планетами. У перекладі з давньогрецької планета - "блукаюча зірка". З найдавніших часів було відомо сім таких "блукаючих зірок": Місяць, Меркурій, Венера, Сонце, Марс, Юпітер і Сатурн.

Щоб зрозуміти, як рухається Сонце по небесній сфері, згадаймо, що доба (24 години) - це час між двома його послідовними кульмінаціями. Той факт, що небесна сфера робить повний оборот навколо осі за час трохи менше доби (23 години 56 хвилин), означає, що Сонце переміщається по небесній сфері в напрямі, протилежному обертанню небесної сфери. Тому схід Сонця щодня запізнюється в порівнянні зі сходом зірок на 4 хвилини. Відзначаючи щоденне положення Сонця щодо зірок у момент сходу, можна простежити його траєкторію на небесній сфері. Виявляється, що ця траєкторія являє собою ще одне коло, центр якої збігається з центром Землі, а площина нахилена під кутом 23 ° 30 'до площини небесного екватора. З цієї окружності, званої екліптикою, Сонце рухається в напрямку з заходу на схід з майже постійною кутовий швидкістю, що дорівнює приблизно 1 ° на добу, роблячи повний оборот за 365 днів і приблизно 6 годин.

Місяць також безперервно переміщується відносно зірок. Її траєкторія являє собою коло, в центрі якої знаходиться Земля. Площина цієї окружності нахилена до екліптики під кутом 5 °. Місяць майже рівномірно рухається уздовж своєї траєкторії в тому ж напрямку, що і Сонце, тобто назад напрямку добового обертання небесної сфери, здійснюючи повний оборот за час трохи більше 27 діб. Подібно до руху Сонця, рух Місяця призводить до того, що її схід щодня запізнюється відносно сходу зірок, але вже не на чотири хвилини, як у Сонця, а майже на цілу годину.

П'ять інших "блукаючих зірок" також рухаються по небесній сфері, проте їх переміщення набагато складніше, ніж рух Сонця і Місяця (рис. 4). Давні астрономи розділили ці п'ять планет за своїми дивись рухам на дві групи: нижні (Меркурій, Венера) і верхні (Марс, Юпітер і Сатурн). Рухи нижніх і верхніх планет по сфері нерухомих зірок істотно розрізняються.

Меркурій і Венера перебувають на небі, не віддаляючись занадто далеко від Сонця (28 ° для Меркурія і 47 ° для Венери). Найбільше кутове видалення планети від Сонця на схід називається її найбільшої східної елонгацією, на захід - найбільшою західною елонгацією. При найбільшою східній елонгації планету видно на заході у променях вечірньої зорі незабаром після заходу Сонця і заходить через деякий час після нього. Потім, зворотним рухом (тобто зі сходу на захід), спочатку повільно, а потім все швидше, планета починає наближатися до Сонця, ховається в його променях і перестає бути видимою. У цей час настає нижнє з'єднання планети із Сонцем. Через деякий час після нижнього сполучення планета знову стає видимою, але тепер уже на сході, незадовго перед сходом Сонця. У цей час, продовжуючи зворотній рух, вона поступово віддаляється від Сонця. Уповільнивши швидкість зворотного руху і досягнувши найбільшої західної елонгації, планета зупиняється, змінює напрямок свого руху на прямий (з заходу на схід). Спочатку вона рухається повільно, потім її рух стає більш швидким. Видалення її від Сонця зменшується і, нарешті, вона ховається в ранкових променях Сонця - настає її верхнє з'єднання з Сонцем. Через деякий час вона знову видно на заході у променях вечірньої зорі. Продовжуючи прямий рух, планета уповільнює свою швидкість. Досягнувши граничного східного видалення, тобто найбільшої східної елонгації, планета зупиняється, змінює напрямок свого руху на назадній, і все повторюється спочатку. Період одного такого "коливання" становить для Меркурія 88 діб, а для Венери - 225 доби.

Видимі руху верхніх планет відбуваються інакше. Коли верхню планету видно після заходу Сонця в західній частині неба, вона переміщується серед зірок прямим рухом, тобто з заходу на схід, як і Сонце. Але швидкість її руху менша, ніж у Сонця, яке поступово наздоганяє планету, і вона на деякий час перестає бути видимою, тобто сходить і заходить майже одночасно з Сонцем. Потім, коли Сонце обжене планету, вона стає видимою на сході перед появою Сонця. Швидкість її прямого руху поступово зменшується, планета зупиняється, потім починає переміщення зворотним рухом, зі сходу на захід. Через деякий час планета знову зупиняється, змінює напрямок свого руху на прямий, знову її із заходу наганяє Сонце і вона знову перестає бути видимою - і всі явища повторюються в тому ж порядку.

Перші моделі світу

Евдокс. Початкова модель світобудови була дуже проста. Тривалі спостереження привели давньогрецьких вчених до переконання, що поряд із Землею кулястими є і інші планети. Більш того, з плином часу для двох небесних світил, які здавалися найбільшими - Сонця і Місяця - було отримано так багато даних, що їх стали вважати тілами, до певної міри родинними Землі. Не було ніяких причин вважати інші "блукаючі зірки" несхожими на Сонце і Місяць. Стало бути, всі вони більш-менш подібні до Землі, а відмінності в їх спостережуваних розмірах пояснюються різним їх видаленням від Землі.

Але ж ці величезні тіла, які вчиняють вічний політ над нашими головами, повинні бути досить міцно укріплені. Небесна сфера для цього не підходила: планети рухаються незалежно від неї. Тому греки уявили сім нових сфер, по одній для кожної планети. Ці сфери менше, ніж сфера нерухомих зірок, і концентричні з нею. Всі сім планетних сфер беруть участь в русі сфери нерухомих зірок, що звертається раз на добу і, крім того, здійснюють ще й незалежні обертання.

Надалі з цієї моделі Піфагор розвинув ідею про музику сфер: кожна з семи планетних сфер порівнювалася з одним з тонів октави; восьмий тон представляла сфера нерухомих зірок. Піфагор вважав, що колосальні порожнисті кулі, до яких прикріплені такі великі тіла, як Сонце і Місяць (та й інші планети), при обертанні повинні видавати звук, як обертаються колеса якого-небудь механічного апарату. Отримувані при цьому різні тони з'єднуються в чудову мелодію, могутні звуки якої наповнюють весь Всесвіт. І тільки ми, недосконалі жителі Землі, не можемо чути цієї небесної музики, складовою вічна насолода олімпійських богів.

Після того як були придбані подальші знання щодо руху небесних світил, треба було відповідним чином поповнити ідею про сфери, що становлять основу порядку Всесвіту. У світогляді стародавніх філософів Греції вважалося непохитним фактом, що Земля є центр світу, головне тіло світобудови. Тому всі численні ускладнення, які виявили стародавні вчені, - нерівномірні руху планет, назадній руху і т. д., - потрібно було пояснювати тільки введенням нових сфер, які спільним рухом впливали б на одне і те ж небесне світило. Знаменитий давньогрецький вчений Евдокс (408-355 рр.. До н. Е..) Побудував систему світу, що складається з 27 сфер: по три для Сонця і Місяця, по чотири для п'яти інших планет і великий сфери нерухомих зірок. Однак незабаром з'ясувалося, що і 27 сфер недостатньо для опису видимого руху планет. Тож невдовзі послідовник Евдокса афінянин Каліпп приєднав до евдоксовим ще 22 сфери. З плином часу небесна машина ставала все складніше і складніше, так що врешті-решт наполегливо виступила необхідність більш простого і ясного опису.

Гіппарх. В основі всіх стародавніх поглядів на світ лежав принцип рівномірного руху по колу. Вперше цей принцип був похитнута олександрійським вченим Гиппархом (II століття до н. Е..), Який відкрив, що довжини пір року неоднакові. Гіппарх першим знайшов перигей і апогей Сонця і встановив, що поблизу першого воно рухається швидше, ніж поблизу другого. Але аксіома про рівномірний рух занадто глибоко ввійшла в плоть і кров античної науки, і Гіппарх не наважився знищити її.

Щоб пояснити свої відкриття, Гіппарх обрав інший вихід. Припустимо, що Сонце рухається з постійною швидкістю по колу, але центр цього кола не збігається з центром Землі, а лежить поза ним, де-небудь у вільному просторі. Тоді, дійсно, нам повинно здаватися, що Сонце рухається нерівномірно - швидше, коли воно йде по частині кола, до якої Земля розташована ближче, і повільніше - в протилежній частині.

Центр руху Сонця знаходиться тут в точці перетину пунктирних ліній, суцільні лінії сходяться в центрі Землі. Шляхом проб можна знайти підходяще місце для точки, перебуваючи в якій спостерігач буде бачити згадані вище особливості руху Сонця, хоча насправді воно відбувається рівномірно по колу. Лінію, що з'єднує перигей і апогей, Гіппарх назвав лінією апсид. Ставлення виміряного по ній відстані від центру сонячної орбіти до центру Землі до радіусу орбіти було названо ім ексцентриситетом орбіти. Ці назви втрималися в астрономічному мовою до теперішнього часу.

За аналогією з сонячної, центр місячної орбіти Гіппарх також помістив поза Землею. Він обчислив для неї напрям лінії апсид, ексцентриситет, перигей і апогей. Руху Сонця і Місяця Гіппярх визначив з дивною для його часу точністю. Наприклад, за даними, отриманими Гиппархом, можна було б з точністю до одного дня обчислити дати настання повень навіть для нашого часу (більш ніж на 2000 років вперед!). Великий олександрійський астроном почав також досліджувати руху інших планет, що становило більш значні труднощі. Але величезний крок вперед в цьому напрямі вдалося зробити тільки його землякові й послідовнику Клавдію Птолемею (II століття нової ери).

Система світу Птолемея

Птолемеєва система світу, яка панувала, не оспорювана ніким, близько півтори тисячі років, була заснована на спостереженнях і обчисленнях Гіппарха. Птолемей виклав свою систему світобудови в знаменитому творі "Мегале синтаксис" ("Велика побудова"), більш відомому під арабською назвою "Альмагест". До кінця середньовіччя ця праця шанувався майже нарівні з божественним одкровенням. Сумнів у словах "Альмагеста" вважалося злочином.

В основі системи світу Птолемея лежать чотири постулату:

I. Земля знаходиться в центрі Всесвіту.

II. Земля нерухома.

III. Усі небесні тіла рухаються навколо Землі.

IV. Рух небесних тіл відбувається по колу з постійною швидкістю, тобто рівномірно.

Птолемей поклав в основу своєї системи ексцентричні кола Гіппарха. Однак, згідно Птолемею, всі планети, за винятком Сонця, не звертаються безпосередньо з цих колам - за ним рухається центр другого кола, і тільки по ньому звертається планета (рис. 6). Кола, по яких звертаються планети, називаються епіциклом; кола, по яких рухаються центри епіциклів - деферентом. Деферент Сонця, деференти і епіцикли інших планет лежать всередині сфери, на поверхні якої розташовані "нерухомі зірки".

Добовий рух всіх світил пояснювалося обертанням всього Всесвіту як єдиного цілого навколо нерухомої Землі. Прямі та назадній руху планет пояснювалися наступним чином.

Нехай у певний момент часу планета знаходиться на епіцикли в точці P1 (рис. 7), а центр епіциклу - на деферента в точці Nt. У процесі рівномірного кругового руху обох точок - планети з кутовою швидкістю a навколо точки N1 і самої точки N1 як центру епіциклу з кутовою швидкістю w навколо Землі - планета опише петлю, яку спостерігач бачить у проекції на небесну сферу. Причина освіти петлі очевидна: у точці Р1 руху по епіциклу і по деференту направлені в один бік - справа наліво. Описавши дугу в 180 °, планета рухається по епіциклу зліва направо. При певному співвідношенні між a і w напрямок видимого руху в положенні, близькому Р2, змінюється - планета тут робить зворотній рух.

Для кожної планети Птолемей підібрав відносні розміри радіусів епіциклу і деферента, положення центрів деферентов і швидкості руху планет по епіциклам і деферента так, щоб рух виходило близьким до реально спостерігається. Це виявилося можливим при виконанні деяких умов, які Птолемей прийняв як постулатів. Вони зводилися до наступного:

1) центри епіциклів нижніх планет лежать на напрямку від Землі до Сонця;

2) у всіх верхніх планет цього напрямку паралельні радіуси епіциклів, проведені в точку положення планети.

Таким чином, напрямок на Сонце в системі світу Птолемея виявлялося переважним.

Система світу Птолемея не тільки давала якісне пояснення дивись рухам планет, але й дозволяла обчислити їх становище на майбутнє з досить високою точністю. У міру підвищення точності спостережень виникали розбіжності їх з теорією, які усувалися шляхом ускладнення системи. Наприклад, деякі "неправильності" у видимих ​​рухах планет, відкриті пізнішими спостереженнями, пояснювалися тим, що навколо центру першого епіциклу звертається не планета, а центр другого епіциклу, по колу якого вже рухається планета. Коли і така побудова для якої-небудь планети виявлялося недостатнім, вводили третій, четвертий і т. д. епіцикли, поки положення планети на колі останнього з них не давало більш-менш стерпного згоди зі спостереженням. На початку XVI століття система Птолемея містила в загальній складності 40 кіл. Повернімося ще раз до "Альмагест" Птолемея і в невеликій таблиці наведемо числа, які дав цей великий олександрійський учений для планетних рухів по епіциклам і для рухів самих епіциклів по деферента:

Планети Добовий рух по епіциклам Добовий рух центру епіциклу по деференту Сумарне рух
Сонце 0 ° 0'00, 0'' 0 ° 59'8, 3 " 0 ° 59'8, 3 "
Меркурій 3 ° 6'21, 4'' 0 ° 59'8, 3 " 4 ° 5'32, 4 "
Венера 0 ° 36'59, 4 " 0 ° 59'8, 3 " 1 ° 36'7, 7 "
Марс 0 ° 27'41, 7 " 0 ° 31'26, 6 " 0 ° 59'8, 3 "
Юпітер 0 ° 54'9, 0 " 0 ° 4'58, 3 " 0 ° 59'8, 3 "
Сатурн 0 ° 57'7, 7 " 0 ° 2'0, 6 " 0 ° 59'8, 3 "

У цій таблиці впадає в око той разючий факт, що центр епіциклу у нижніх планет (Меркурія і Венери) рухається з тією ж швидкістю, що і Сонце навколо Землі. Для верхніх планет - Марса, Юпітера і Сатурну - ці числа розрізняються, але суми обох рухів дають ту саму величину руху Сонця. Отже, рух Сонця полягає у всіх планетних рухах. Звичайно, таке явище мало здаватися надзвичайно дивним. Сам собою виникає питання, чи не лежить в основі цих однакових числових величин якась загальна причина?

Немає сумніву, що багато мислителів давнини і середньовіччя ставили таке питання. Наприклад, античний астроном Аристарх затверджував центральне положення Сонця в системі світу. Однак першою людиною, який наважився строго математично розробити ідею про те, що всі планети обертаються навколо Сонця, був геніальний польський астроном Микола Коперник (1473 - 1543).

Система світу Коперника

Книга Коперника "Про обертання небесних сфер" - праця всього його життя - була опублікована в 1543 році незадовго до смерті вченого. У цьому творі Коперник розробив ідею про рух Землі і поклав початок нової астрономії. Створена ним система світу називається геліоцентричної. В її основі лежать наступні твердження:

1) у центрі світу знаходиться Сонце, а не Земля;

2) куляста Земля обертається навколо своєї осі, і це обертання пояснює позірна добове рух усіх світил;

3) Земля, як і всі інші планети, звертається навколо Сонця, і це звернення пояснює видимий рух Сонця серед зірок;

4) всі рухи представляються у вигляді комбінації рівномірних кругових рухів;

5) видимі прямі і назадній руху планет пояснюються рухом Землі.

Крім того, Коперник вважав, що Місяць рухається навколо Землі і як супутник разом із Землею - навколо Сонця.

Постулат про рівномірний рух по колу змусив Коперника подібно Птолемею ввести епіцикли і змістити центри кіл-деферентів щодо центра Сонця. У підсумку модель Коперника виглядала не менш складно, ніж модель Птолемея: досить сказати, що вона містила 48 кіл замість 40 кіл в геоцентричної моделі. Не відрізнялася вона й більшою точністю. Проте в ній було зерно наукової істини, яка зробила її фундаментом нової астрономії.

За іронією долі, підтвердити висновок Коперника про те, що Земля обертається навколо Сонця, випало на долю датського вченого Тихо Браге (1546-1601), який мав досить вагомі підстави не ухвалювати геліоцентричну систему. Головний довід Тихо Браге проти системи Коперника полягав у наступному: якби Земля оберталася навколо Сонця, то і Венера, і Меркурій мали б фази, як Місяць, чого ніхто з серйозних астрономів ніколи не спостерігав. Доводи Браге звучали переконливо, і хоча передбачаються фази, як тепер добре відомо, дійсно існують, недосконалість оптичних інструментів не дозволяло їх виявити. І все ж саме точні спостереження Браге за положенням планет в кінці кінців підтвердили точку зору Коперника. Дані, отримані Браге, дозволили його учневі Йогану Кеплеру (у підсумку восьмирічної роботи) оголосити, що орбіти планет являють собою еліпси, в одному з фокусів яких знаходиться Сонце, і що в кожну одиницю часу радіус-вектор планети замітає однакову площу. Так звалилася піфагорова гармонія кругових орбіт навколо богом даного особливого становища нашої планети. Закони Кеплера в свою чергу (більшою мірою, ніж легендарне падаюче яблуко) з'явилися фундаментом, на якому спочиває закон всесвітнього тяжіння Ньютона, що став майже на три століття основою фізики і космології.

Коперник Микола (1473-1543), великий польський астроном і державний діяч, один з видатних вчених в історії природознавства, творець геліоцентричної системи світу.

Коперник народився в польському місті Торунь в сім'ї заможного купця. Він рано втратив батьків і виховувався у свого дядька Л. Ваченроде - відомого громадсько-політичного діяча того часу. Отримав богословську і медичну освіту в університеті Кракова в Італії. Коперник з юності цікавився астрономією. Вивчав її, відвідував у Кракові лекції про "сім вільних мистецтвах", до числа яких входили тоді астрономія і математика. Навчався спостереженнями у італійських астрономів і читав в оригіналах твори давньогрецьких класиків. Після повернення до Польщі Коперник оселився у Вармії - спочатку в містечку Лідцбарке, потім у Фромборке. Діяльність його була різноманітна. Він брав активну участь в управлінні областю: відав її фінансовими, господарськими й іншими справами. У той же час Коперник невпинно міркував над пристроєм Сонячної системи і поступово прийшов до свого великого відкриття.

Коперник використовував ідею давньогрецького філософа Аристарха Самоський (III ст. До н.е.) про те, що Земля рухається навколо Сонця. Загальну філософську здогад Коперник перетворив на строгу математичну теорію, вперше пояснив всі відомі тоді особливості в русі планет, Сонця і Місяця. Коперник стверджував, що Земля й інші планети - супутники Сонця. Він показав, що саме рухом Землі навколо Сонця і її добовим обертанням навколо своєї осі пояснюється видиме переміщення Сонця серед зірок, петлеобразное рух планет і видиме добове обертання небесного зводу.

Свою теорію Коперник створював майже 30 років. Вона викладена в його знаменитому творі "Про обертання небесних сфер" (1543). Вчення Коперника завдало нищівного удару релігії і церкви, який стверджував уявлення про Землю як обраниці божої, що стоїть в центрі світу (згідно геоцентричної системі світу Птолемея), і зіграло величезну роль у подальшому розвитку природознавства. На основі цієї теорії були відкриті І. Кеплером закони руху планет та І. Ньютоном закон всесвітнього тяжіння. Геліоцентрична система спростувала представлення про особливе положення Землі у Всесвіті, послужила підставою для розвитку ідеї множинності населених світів, нескінченності самого Всесвіту. Вона показала можливість теоретико-експериментального пізнання світу. Тому проголошення геліоцентричної системи Коперника увійшло в історію природознавства як велика наукова революція.

Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Релігія і міфологія | Реферат
46.2кб. | скачати


Схожі роботи:
Будова всесвіту еволюція всесвіту
Походження Всесвіту
Еволюція Всесвіту
Еволюція Всесвіту
Структура Всесвіту
Походження Всесвіту
Концепція всесвіту
Народження Всесвіту
Будова Всесвіту
© Усі права захищені
написати до нас